[发明专利]基于eTPU的交流信号同步采样和频率测量装置及其工作方法

说明书

(一)技术领域：

本发明属于电气化铁路牵引自动化及电力系统变电站自动化领域，尤其是一种基于eTPU(增强型时序处理单元——enchanced Time ProcessorUnit)的交流信号自动同步采样和频率测量方法。

(二)背景技术：

在电气化铁路牵引自动化系统及电力系统变电站综合自动化系统，为了实现对相关电力设备正常的控制和监测，需要对各种交流电压、电流信号进行准确测量，并且当上述信号的频率发生变化时，能够实时调整采样频率，来实现对上述信号的自动同步采样。

对于交流信号自动同步采样和频率测量，一般方式为：首先将交流信号转换为方波信号，利用微控制器的定时器对该信号进行周期测量，并计算出频率，然后根据测量到的频率值，通过软件方式来控制AD采样芯片的频率，实现自动同步采样。上述方法，交流信号的频率测量及同步采样的精度受微控制器的定时器精度限值，并需要较严格的软硬件配合工作实现，因此测量精度和实时性不高。

(三)发明内容：

本发明的目的在于提供一种基于eTPU的交流信号同步采样和频率测量装置及其工作方法，它可以克服现有技术的不足，利用MCF523x中eTPU的GPIO和PWM功能，实现对交流信号的自动同步采样和频率测量，是一种实时性好，精度高，资源消耗小，便于在嵌入式系统中实现的系统，其工作方法简单易操作。

本发明的技术方案：一种基于eTPU的交流信号同步采样和频率测量装置，其特征在于它包括微控制器单元、交流正弦波/方波转化模块、AD转换模块、低通滤波单元和电压基准单元；其中，所说的微控制器单元的输入端与交流正弦波/方波转化模块的输入端和AD转换模块的输入端连接，其输出端与AD转换模块的输出端；所说的交流正弦波/方波转化模块的输入端与低通滤波单元的输出端连接；所说的AD转换模块的输入端采集电压基准单元的电压信号；所说的低通滤波单元的输入端采集交流信号模拟量。

上述所说的AD转换模块是由两片并行工作的带有启动采样转换输入端的AD7656-1芯片组成；每个芯片的输入端均与微控制器单元、低通滤波单元和电压基准单元的输出端连接，其输出端均与微控制器单元的输入端连接；所说的每片AD7656-1芯片均与微控制器单元呈双向连接。

上述所说的微控制器单元采用具备eTPU功能模块的带有数据/地址线的freescal公司MCF523x系列芯片；所说的eTPU功能模块包括通道1和通道2，其中，所说的通道2与AD转换模块的启动采样转换输入端连接，所说的通道1与交流正弦波/方波转化模块的输出端连接，所说的微控制器单元依数据/地址线分别与AD转换模块的两片AD7656-1芯片呈双向连接。

上述所说的MCF523x系列芯片可以是MCF5234芯片，其工作总线频率为75MHz，eTPU模块的定时器工作基准频率为9.375MHz，即对微控制器总线频率进行8分频，此时交流电压、电流信号为每周波32点等间隔采样，即对于50Hz的交流信号，20毫秒完整周期内实现32次采样，采样频率为1.6kHz。

一种上述基于eTPU的交流信号同步采样和频率测量装置的工作方法，其特征在于它包括以下步骤：

①对eTPU模块的功能进行初始化：首先，对eTPU通道1进行中断加载，并允许中断产生；然后对eTPU模块进行基本配置，包括：将eTPU微码库加载到内存，配置eTPU通用寄存器，复制eTPU通用参数到数据RAM中；

②设置eTPU模块的通道1工作模式为GPIO功能的输入捕捉方式，并指定捕捉步骤①中所产生的方波信号的上升沿和下降沿，并设置GPIO输入捕捉事件发生时触发中断；此时如果不是则终止后续操作；如果为上升沿，则读取eTPU模块的基准时钟当前计数值，并根据上个上升沿的计数值，计算出本次完整脉冲的计数值；

③设置eTPU模块的通道2工作模式为PWM输出方式，初始输出脉冲周期为20毫秒，占空比固定为20％，启动eTPU模块功能，开始采样工作；

④由低通滤波单元采集需要进行频率测量的交流电压信号，并送入交流正弦波/方波转化模块中进行波形信号转换，将转换好的方波信号送给微控制器单元中的eTPU模块的通道1；

⑤将低通滤波单元采集需要进行采样的交流电压信号、电流信号送入AD转换模块中两片并行工作芯片的各个输入端，且由eTPU模块的通道2连接到AD转换模块的启动采样转换输入端，AD芯片在收到PWM输出信号的上升沿时开始启动AD采样转换；

⑥当AD转换模块中芯片完成采样转换后，给微控制器单元产生中断信号，微控制器在中断处理函数中完成采样数据的读取操作；